焊接环境对摩擦螺柱焊成形质量的影响

焊接环境对摩擦螺柱焊成形质量的影响

发表时间：2017-11-22T15:04:50.037Z 来源：《建筑学研究前沿》2017年第16期作者：张淦君

[导读] 摩擦螺柱焊（Friction Stud Welding）属于摩擦焊技术，是英国焊接研究所（TWI）在20世纪80年代发明的。

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摘要：摘在参考国外相关文献的基础上，研究了空气中、水下和水下增加螺柱保护这3种不同焊接环境刘摩擦螺柱焊接头力学性能的影响结果表明，空气中焊接时，螺柱转速与进给速度匹配合适即可获得优质的焊接接头；水下焊接时要适当提高转速，增大热输入以补偿热量散失水下增加螺柱保护条件焊接时，螺柱表面的保护层可能会造成热量累积，从而刘成形不利。

关键词：焊接环境；摩擦螺柱

引言

摩擦螺柱焊（Friction Stud Welding）属于摩擦焊技术，是英国焊接研究所（TWI）在20世纪80年代发明的，因该技术不受压力环境的影响且得到的焊接接头性能优异而在水下连接领域得到了迅速发展。随着世界范围内海洋油气资源的不断发现及其开发力度的不断加强，海洋钢结构物数量和油田开采深度逐年增加，海洋工程钢结构的连接及其安全保障技术日益受到业界的关注。从目前可见的文献和报道来看，欧盟、美国、巴西、日本等国围绕摩擦螺柱焊技术在水下连接中的应用展开了一系列研究工作，并逐步应用于牺牲阳极等水下非重要结构物的连接。虽然国内在围绕摩擦焊技术发展动态的相关报道中零星涉及水下摩擦螺柱焊的一些内容，但相关的基础工艺研究基本处于空白状态。

1焊接试验

1.1摩擦螺柱焊试验装置

摩擦螺柱焊试验装置主要由几大部分组成，分别为液压站、阀组、主轴头、控制系统、数据记录系统等部分，这一装置主要由北京的石油化工学院自主研发设计的，该装置在运行过程中能够提供30KN的最高轴向压力以及最大的50N?m的转矩。其中液压站中马达的转速最高时能够大搞9000r/min，液压马达由不锈钢制造而成，能够在水下作业。

1.2试验材料

目前海洋工程钢结构常用的材料X65常常被用作焊接时所需要的螺柱和基板的材料，其相关的要求见表1和表2。在试验的过程找那个，为了确保螺柱表面的质量，部分螺柱表面需要进行保护，一般情况下，尼龙、聚苯乙烯以及聚氨酯等都是常见的螺柱表面防护的材料，其中聚氨酯的效果是最佳的，试验中螺栓表面的防护材料选择了工业用的聚氨酯密封胶。其使用方法就是在进行焊接前在螺柱表面均匀的涂上1~2mm的膏状的密封胶，在其干燥凝固之后再对其进行焊接。

1.3试验方法

从图1中我们可以看出，本文选择了小14mm的棒材作为摩擦螺柱焊焊接夹具和焊接方式试验中的螺柱材料，其中，为了方便试验的顺利进行，基板选择了大直径的棒材，圆柱端面为焊接平面。在焊接平台上利用螺栓将焊接前基座固定好，并在基座上的孔中放入圆柱基板，并对其锁紧。焊接时螺柱在焊机的带动下旋转并轴向进给，在持续一段时间的摩擦之后停止螺柱的运转，然后维持或增大压力进行顶锻，顶锻阶段结束即完成焊接过程。

图1 摩擦螺柱焊接接头夹具和焊接方法

焊接的试验分为3次进行，第一次的时候焊接会以4000，5000，6000r/min的速度在空气中进行，每个转速条件下的速度是不同的，而轴向压力为6mpa；第二次试验则是在水下利用空中气焊的工艺进行，在试验过程中，随时会出现焊接终止的情况，因此要对焊接的试验过程进行重点的关注；最后一次实验与第二次试验相比，两者之间的区别在于最后一次试验螺柱表面会涂上一层聚氨酯密封胶，这样杜绝螺柱与水的接触，减少焊接中热量的流失。

2试验结果与讨论

2.1试验结果

通过对上述的试验过程进行观察，得出以下的结果：焊接时，初始阶段的摩擦稳定性较弱，产热和散热的速度会给焊接带来巨大的影响，且焊接区的产热和散热速度回受到环境影响的因素，从而产生不用的变化。在空气中进行焊接，主要考虑焊接区中的生热速度，可以忽略散热速度对焊接的影响。然而焊接在水下记性时，由于水导热性因素的影响，要重点考虑焊接区的散热速度。而在焊接表面覆盖了聚氨酯密封胶的螺柱时，焊接过程中热量散失较慢，因此可能输入的焊接热量过高，从而对接头成形带来不利的影响。图2为不同环境下，以低进给速度进行焊接所得到接头的拉伸试验结构。在空气中进行焊接，随着螺柱的旋转速度不断增加，接头的抗拉强度会不断降低。而在水下进行焊接时，当转速为4000r/min时，由于摩擦的阻力过大，因此会出现焊接终止的情况；而转速为5000r/min、6000r/min时可以顺利

完成焊接，其接头平均的抗拉强度为503、486MPa。最后，对于在水下进行焊接，且螺柱表面覆盖了保护层时，3中转速条件下焊接都能够顺利完成。

图2 在低进给速度条件下不同焊接环境对摩擦螺柱焊接头力学性能的影响

2.2试验结果的分析

根据上文的试验结果，以及摩擦螺柱焊特点，我们可以看出螺柱的转速以及进给速度是决定摩擦生热速度的两大因素。

焊接在空气中以低进给的速度进行时，随着旋转速度的不断增加，螺柱和基本之间在单位之间内摩擦剪切的次数会不断增加，随之增加还要摩擦产生的热量，从而在接头成形中产热充分。但是由于焊接后期中由于摩擦产生了过多的热量，因此温度不断增加，进而达到热塑性的状态，但是热影响区过度软化，会给接头的成型带来不良的影响。

而焊接时在水下进行，那么由于水的散热性较好，因此会导致焊接区热量不足的情况出现，从而使得材料无法得到热塑性的状态，且材料在强度和硬度方面都比较高，因此会给螺柱轴向进给时增加螺柱与基板之间的作用力，导致两者在摩擦剪切过程找那个遇到较大的阻力，进而导致焊接中止。但是在对螺柱的旋转速度进行提高之后，可以增加焊接区的产热量，进而顺利的完成焊接，且在相同工艺的情况下，水下焊接的质量与空气中的焊接质量相比更佳。

焊接在水下进行，且螺柱表面带有保护层的，在低转速情况下，由于热量的散失情况下降因此不会出现焊接中止的情况，而提高转速之后，由于螺柱表面的聚氨酯密封胶减少了热量的散失情况，因此会导致焊接区的热量不断累积，从而出现热影响区过度软化的问题，从而降低了接头的整体强度。

图3中主要表示了在高进给速度的条件下，在不同环境中焊接所得接头的拉伸试验结果。从试验中我们发现螺柱部位最容易发生断裂的情况，这表示接头的强度远高于母材。而造成这一情况的主要原因在于，在焊接过程中，转速与进给速度的匹配程度较好，不仅确保了焊接时的热输入需求，同时有效防治了热影响区过度软化的问题，从而使得接头在成型的过程中一直处于高温状态下。在转速为6000r/min 的的条件下在水下进行焊接，焊接能够顺利的完成，其他工艺参数条件下的未能够完成焊接。而表面涂有保护层的螺栓在水下进行焊接时没有出现中止的情况，且强度较高，但是当在转速为6000 r/min的情况下，其接头强度会有所降低，这是因为随着转速的提高热输入量也在不断增加，从而出现了热影响区过度软化的情况。

图3 在高速进给条件下不同焊接环境对摩擦螺柱焊接头力学性能的影响

3结论

（1）不同焊接环境主要通过影响焊接过程中热量的散失对接头的力学性能产生影响，而热量的产生由螺柱旋转速度和进给速度共同决定。应针对不同焊接环境选择匹配的转速和进给速度。

（2）在空气焊接时热量散失相对于产热可以忽略不计，只要转速与进给速度匹配合适即获得优质的焊接接头。

（3）水下焊接时热量散失较快，因此在将空气中合适的工艺参数应用于水下焊接时，要适当提高转速，增加热输入，以补偿热量散失。

（4）水下增加螺柱保护条件下焊接时，表而的保护层在一定程度上可以减少热量的散失，但当热输入过大时会造成热量累积从而对成形不利。

参考文献

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[2]徐亚国，焦向东，周灿丰. 摩擦螺柱焊水下焊接工艺的初步研究[J]. 科技风，2016，（05）：199

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